Bateria de fosfato de ferro-lítio - Lithium iron phosphate battery

Bateria de fosfato de ferro lítio
Energia especifica 90–160  Wh / kg (320–580 J / g ou kJ / kg)
Densidade de energia 325 Wh / L (1200 kJ / L)
Poder específico cerca de 200  W / kg
Energia / preço ao consumidor 3–12 Wh / US $
Durabilidade de tempo > 10 anos
Durabilidade do ciclo 2.000-12.000  ciclos
Tensão nominal da célula 3,2  V

A bateria de fosfato de ferro e lítio ( LiFePO
4bateria ) ou bateria LFP ( ferrofosfato de lítio ), é um tipo de bateria de íon-lítio que usa fosfato de ferro-lítio ( LiFePO
4) como o material do cátodo e um eletrodo de carbono grafítico com um suporte metálico como o ânodo . A densidade de energia do LiFePO
4é inferior ao do óxido de lítio-cobalto ( LiCoO
2), e também tem uma tensão operacional mais baixa . Os perfis de carga-descarga das células LFP são normalmente muito planos. A principal desvantagem do LiFePO
4é a sua baixa condutividade elétrica . Portanto, todo o LiFePO
4cátodos em consideração são, na verdade, LiFePO
4/ C (composto feito com carbono). Por causa do baixo custo, baixa toxicidade, desempenho bem definido, estabilidade a longo prazo, etc. LiFePO
4está descobrindo uma série de funções no uso de veículos , aplicações estacionárias em balança de utilidades e energia de reserva . As baterias LFP não contêm cobalto.

História

Artigo principal: fosfato de lítio e ferro

LiFePO
4é um mineral natural da família das olivinas ( trifilita ). Arumugam Manthiram e John B. Goodenough identificaram pela primeira vez a classe polianião de materiais catódicos para baterias de íon de lítio . LiFePO
4foi então identificado como um material catódico pertencente à classe polianião para uso em baterias em 1996 por Padhi et al. Extração reversível de lítio de LiFePO
4e inserção de lítio em FePO
4foi demonstrado. Devido ao seu baixo custo, não toxicidade, abundância natural de ferro , excelente estabilidade térmica, características de segurança, desempenho eletroquímico e capacidade específica (170  mA · h / g ou 610  C / g ), ganhou considerável aceitação no mercado .

A principal barreira à comercialização era sua condutividade elétrica intrinsecamente baixa . Este problema foi superado reduzindo o tamanho das partículas, revestindo o LiFePO
4partículas com materiais condutores, como nanotubos de carbono , ou ambos. Essa abordagem foi desenvolvida por Michel Armand e seus colegas de trabalho. Outra abordagem do grupo de Yet Ming Chiang consistia em dopar LFP com cátions de materiais como alumínio , nióbio e zircônio .

O MIT introduziu um novo revestimento que permite que os íons se movam mais facilmente dentro da bateria. A "bateria Beltway" utiliza um sistema de desvio que permite que os íons de lítio entrem e saiam dos eletrodos a uma velocidade grande o suficiente para carregar totalmente a bateria em menos de um minuto. Os cientistas descobriram que, ao revestir as partículas de fosfato de ferro e lítio em um material vítreo chamado pirofosfato de lítio , os íons desviam dos canais e se movem mais rápido do que em outras baterias. As baterias recarregáveis ​​armazenam e descarregam energia à medida que átomos carregados (íons) são movidos entre dois eletrodos, o ânodo e o cátodo. Sua carga e taxa de descarga são restringidas pela velocidade com que esses íons se movem. Essa tecnologia pode reduzir o peso e o tamanho das baterias. Foi desenvolvido um pequeno protótipo de célula de bateria que pode carregar totalmente em 10 a 20 segundos, em comparação com seis minutos para células de bateria padrão.

Eletrodos negativos (ânodo, na descarga) feitos de coque de petróleo eram usados ​​nas primeiras baterias de íon-lítio; tipos posteriores usaram grafite natural ou sintética.

Especificações

Várias células de fosfato de ferro e lítio são conectadas em série e paralelamente para criar uma bateria de 2800Ah 52V. A capacidade total da bateria é 145,6 kWh. Observe o barramento grande e sólido de cobre estanhado conectando as células. Este barramento é classificado para 700 Amps DC para acomodar as altas correntes geradas em um sistema de 48 Volts DC.
Células de fosfato de ferro e lítio, cada uma com 700 Ah Amp / hora 3,25 Volts. Duas células são conectadas em paralelo para criar uma única bateria de 3,25 V 1400Ah com capacidade de 4,55 kWh.
  • Voltagem da célula
    • Tensão de descarga mínima = 2,5 V
    • Tensão de trabalho = 3,0 ~ 3,2 V
    • Tensão de carga máxima = 3,65 V
  • Densidade de energia volumétrica = 220  Wh / L (790 kJ / L)
  • Densidade de energia gravimétrica> 90 Wh / kg (> 320 J / g). Até 160 Wh / kg (580 J / g).
  • 100% do ciclo de vida DOD (número de ciclos a 80% da capacidade original) = 2.000-7.000
  • 10% do ciclo de vida DOD (número de ciclos a 80% da capacidade original)> 10.000
  • Composição do cátodo (peso)
  • Configuração de célula
  • Condições experimentais:
    • Temperatura do quarto
    • Limites de tensão: 2,0–3,65 V
    • Carga: Taxa de até C / 1 até 3,6 V, então tensão constante a 3,6 V até I <C / 24
  • Gráfico de tensão e capacidade de carga restante:
    • Consulte o gráfico à direita com o rótulo - " Gráfico de porcentagem da tensão LiFePO 4 para capacidade restante"
      Gráfico de porcentagem de tensão LiFePO 4 para capacidade restante
  • De acordo com um fabricante, as baterias de fosfato de ferro-lítio em um carro elétrico podem ser carregadas em uma estação de carregamento rápido a 80% em 15 minutos e 100% em 40 minutos.

Vantagens e desvantagens

O LiFePO
4A bateria usa uma química derivada de íon de lítio e compartilha muitas vantagens e desvantagens com outras químicas de bateria de íon de lítio. No entanto, existem diferenças significativas.

Constituintes mais abundantes com menor impacto humano e ambiental

LFP não contém níquel nem cobalto , ambos com restrição de oferta e caros. Tal como acontece com o lítio, os direitos humanos e as questões ambientais foram levantadas em relação ao uso de cobalto.

Preço

Em 2020, os preços de celular mais baixos relatados foram de $ 80 / kWh (12,5Wh / $).

Melhores características de envelhecimento e ciclo de vida

A química LFP oferece um ciclo de vida mais longo do que outras abordagens de íons de lítio.

LiFePO
4as células experimentam uma taxa mais lenta de perda de capacidade (também conhecida como maior vida útil do calendário ) do que as químicas da bateria de íon-lítio, como o cobalto ( LiCoO
2) ou espinélio de manganês ( LiMn
2O
4) baterias de polímero de íon de lítio (bateria LiPo) ou baterias de íon de lítio . Depois de um ano na prateleira, um LiCoO
2célula normalmente tem aproximadamente a mesma densidade de energia que um LiFePO
4 célula, devido ao declínio mais lento da densidade de energia do LFP.

Alternativa viável para baterias de chumbo-ácido

Por causa da saída nominal de 3,2 V, quatro células podem ser colocadas em série para uma tensão nominal de 12,8 V. Isso se aproxima da tensão nominal de baterias de chumbo-ácido de seis células . Junto com as boas características de segurança das baterias LFP, isso torna o LFP um bom substituto potencial para baterias de chumbo-ácido em aplicações como automotivas e solares, desde que os sistemas de carregamento sejam adaptados para não danificar as células LFP por meio de tensões de carga excessivas (além de 3,6 volts DC por célula sob carga), compensação de tensão com base na temperatura, tentativas de equalização ou carregamento de gotejamento contínuo . As células LFP devem ser pelo menos balanceadas inicialmente antes que o pacote seja montado e um sistema de proteção também precisa ser implementado para garantir que nenhuma célula possa ser descarregada abaixo de uma tensão de 2,5 V ou danos graves ocorrerão na maioria dos casos.

Corrente de pico alto / classificações de potência

LiFePO
4tem classificações de corrente ou pico de potência mais altas do que o óxido de lítio-cobalto LiCoO
2.

Segurança

Uma vantagem importante sobre outras químicas de íon de lítio é a estabilidade térmica e química, o que melhora a segurança da bateria. LiFePO
4é um material catódico intrinsecamente mais seguro do que LiCoO
2e espinelas de dióxido de manganês por omissão do cobalto , com seu coeficiente de resistência de temperatura negativo que pode estimular o descontrole térmico . A ligação P - O no (PO
4)3−
íon é mais forte do que a ligação Co - O no (CoO
2)-
íon, de modo que, quando abusado ( curto-circuito , superaquecimento , etc.), os átomos de oxigênio são liberados mais lentamente. Esta estabilização das energias redox também promove uma migração iônica mais rápida.

À medida que o lítio migra para fora do cátodo em um LiCoO
2célula, o CoO
2sofre expansão não linear que afeta a integridade estrutural da célula. Os estados totalmente litiados e não litiados de LiFePO
4são estruturalmente semelhantes, o que significa que LiFePO
4as células são estruturalmente mais estáveis ​​do que LiCoO
2 células.

Nenhum lítio permanece no cátodo de um LiFePO totalmente carregado
4célula. (Em um LiCoO
2célula, aproximadamente 50% permanece.) LiFePO
4é altamente resiliente durante a perda de oxigênio, o que normalmente resulta em uma reação exotérmica em outras células de lítio. Como resultado, LiFePO
4as células são mais difíceis de acender em caso de manuseio incorreto (especialmente durante a carga). O LiFePO
4a bateria não se decompõe em altas temperaturas.

Densidade de energia mais baixa

A densidade de energia (energia / volume) de uma nova bateria LFP é cerca de 14% menor do que a de uma nova LiCoO
2bateria. Além disso, muitas marcas de LFPs, bem como células dentro de uma determinada marca de baterias LFP, têm uma taxa de descarga mais baixa do que chumbo-ácido ou LiCoO
2. Como a taxa de descarga é uma porcentagem da capacidade da bateria, uma taxa mais alta pode ser alcançada usando uma bateria maior (mais ampere-hora ) se baterias de baixa corrente devem ser usadas. Melhor ainda, uma célula LFP de alta corrente (que terá uma taxa de descarga mais alta do que um ácido de chumbo ou LiCoO
2 bateria com a mesma capacidade).

Usos

Armazenamento de energia doméstica

A maioria das baterias de armazenamento doméstico de 'lítio' usa a química LFP por razões de custo e segurança contra incêndio. A densidade de energia mais baixa do que outras químicas de lítio não é significativa nesta aplicação estática. Em 2021, havia muitos fornecedores: SonnenBatterie, Cyclendo, Enphase , Moixa, BYD, Givenergy, Lyth Energy Technology, Alpha-ESS, Puredrive, Saft, LithiumWerks, com mais aparecendo regularmente em um mercado em expansão.

Transporte

Taxas de descarga mais altas necessárias para aceleração, menor peso e vida útil mais longa tornam esse tipo de bateria ideal para empilhadeiras, bicicletas e carros elétricos. As baterias 12V LiFePO 4 também estão ganhando popularidade como uma segunda bateria (doméstica) para uma caravana, motorhome ou barco.

A Tesla Motors atualmente usa baterias LFP em certos veículos, incluindo seus modelos de gama padrão 3 e Y de fabricação chinesa, e algumas unidades do modelo 3 nos Estados Unidos a partir de agosto de 2021.

Sistemas de iluminação movidos a energia solar

Células LFP "14500" simples (do tamanho de bateria AA ) agora são usadas em algumas iluminações paisagísticas movidas a energia solar em vez de 1,2 V NiCd / NiMH .

A tensão de trabalho mais alta (3,2 V) do LFP permite que uma única célula acione um LED sem circuitos para aumentar a tensão. Sua maior tolerância à sobrecarga modesta (em comparação com outros tipos de células Li) significa que LiFePO
4pode ser conectado a células fotovoltaicas sem circuitos para interromper o ciclo de recarga. A capacidade de acionar um LED a partir de uma única célula LFP também elimina os porta-baterias e, portanto, os problemas de corrosão, condensação e sujeira associados a produtos que usam várias baterias recarregáveis ​​removíveis.

Em 2013, surgiram lâmpadas de segurança infravermelhas passivas carregadas com energia solar melhores. Como as células LFP de tamanho AA têm capacidade de apenas 600 mAh (enquanto o LED brilhante da lâmpada pode consumir 60 mA), as unidades brilham por no máximo 10 horas. No entanto, se o acionamento for apenas ocasional, essas unidades podem ser satisfatórias, mesmo carregando sob luz solar baixa, pois os componentes eletrônicos da lâmpada garantem correntes "ociosas" após o anoitecer abaixo de 1 mA.

Outros usos

Muitas conversões domésticas de EV usam as versões de grande formato como pacote de tração do carro. Com as vantajosas relações peso-potência, recursos de alta segurança e a resistência química à fuga térmica, existem poucas barreiras para uso por "fabricantes" domésticos amadores. Os motorhomes são frequentemente convertidos em fosfato de lítio e ferro devido ao alto consumo.

Alguns cigarros eletrônicos usam esses tipos de baterias. Outras aplicações incluem lanternas, modelos controlados por rádio , equipamento motorizado portátil, equipamento de rádio amador, sistemas de sensores industriais e iluminação de emergência .

Veja também

Referências